Existencia atómov

Cieľom vedy je zabaliť do čo najmenšieho počtu slov čo najviac vedomostí. Keďže viac-menej všetkému rozumieme na základe existencie atómov, vedomosť o ich jestvovaní je pre nás veľmi dôležitá. Odkiaľ ju máme?

Atómy sú ako pixely na digitálnom obrázku. Z diaľky obrázok vyzerá súvislý, ale keď si ho priblížime, vidíme, že sa skladá z malých štvorčekov. Podobne sa náš svet skladá z atómov. Najväčšie veci, ktoré dokážeme ešte ako-tak vnímať, majú asi 10 km, najmenšie 0,1 mm. To je pomer 108. Atómy sú až nepredstaviteľne malé. Veľkosť atómov a molekúl je približne 10-10 m, takže veľkosť atómu stonásobne presahuje naše schopnosti vnímania vzdialeností. Principiálne sa atóm nedá vidieť. Fotón, teda svetlo, sa odrazí od predmetu do nášho oka a podľa toho vieme, čo tam je. Veľkosť fotónov viditeľného svetla je približne 10-7 m, čo je asi 1 000-krát viac ako veľkosť atómov. Pohyb viditeľného svetla sa na takom malom objekte nijako nezmení a jednotlivé atómy pre nás zostávajú priamo neviditeľné. Odhaliť existenciu atómov bolo ťažké z jednoduchého dôvodu – atómy sú maličké a pre technológie do roku 1910 úplne neviditeľné. Ich existenciu bolo treba uhádnuť z veľkého množstva nepriamych dôkazov a náznakov. Príbeh tohto objavu je veľmi zaujímavý a debata o existencii atómov bola jedna z najzapálenejších v histórii vedy.

Už antickí Gréci…

Idea neviditeľnej štruktúry hmoty sa v starovekých filozofiách objavila viackrát. Okrem nám dobre známej gréckej aj v indickej. Tieto nápady sú v modernom ponímaní vedy výstrel od pása, aj keď Grékov k nemu viedol filozofický dôvod, ktorý má čosi do seba. Názov atóm pochádza z gréckeho slova atomos, nedeliteľný. V 5. storočí pred n. l. prišli Leukippos a Démokritos s myšlienkou, že sa všetko skladá z atómov, ktoré sú nedeliteľné a nezničiteľné. Podľa ich teórie sa atómy vedia spájať do komplikovanejších útvarov, a tak vznikajú rôzne makroskopické látky. Vychádzali z toho, že na najhlbšej úrovni je príroda jednoduchá. Z niekoľkých druhov atómov by sme vedeli dostať veľa rôznych látok tak, ako z legových kociek vieme poskladať veľa rôznych skladačiek. Ukázalo sa, že mali, tak trochu náhodou, pravdu. V 4. storočí pred n. l. ovládol grécku filozofiu Aristoteles (384 – 322 pred n. l.). Hlásal, že všetky myšlienky musia byť založené na empirickom základe a pozorovaní. Síce to bol na dlhý čas koniec akýmkoľvek atómovým hypotézam, no tým dal základ tomu, čo teraz nazývame prírodné vedy.

Chémia na scéne

Na ďalší pokrok si ľudstvo muselo počkať viac ako dvetisíc rokov. V moderných časoch si ako prví všimli existenciu atómov chemici. Chemická reakcia je totiž veľa rovnakých procesov priamo na atomárnej úrovni. Atómy prezradilo, že chemické recepty sú úplne iné ako tie kuchynské. Ako príklad kuchynského receptu zoberme Gin&Tonic Naň potrebujeme ľad, 0,5 dl ginu, 1 dl toniku a rez limetky. Podľa chemického receptu na jeden deciliter vody potrebujeme 88,81 g kyslíka a 11,19 g vodíka. Ak v prvom recepte pridáme gin, dostaneme trochu silnejší nápoj, ale ešte vždy nápoj. Ak však v recepte na výrobu vody pridáme viac kyslíka, nedostaneme kyslíkovejšiu vodu, ale naďalej to bude deci vody a zvyšný kyslík. Na základe množstva rôznych chemických výsledkov v roku 1808 anglický chemik John Dalton (1766 – 1844) sformuloval tri zákony chemických reakcií: zákon zachovania hmotnosti, zákon stálych hmotnostných pomerov, zákon množných hmotnostných pomerov. Prvý pôsobí ako samozrejmosť, ale v čase jeho objavu to tak nebolo. Druhý zákon hovorí to, čo sme povedali pri popise receptov – chemikálie sa pri reakciách nemôžu miešať ľubovoľne a ak pridáme jednu, musíme v patričnom pomere pridať aj ostatné.

Rovnaké správanie

Podľa tretieho zákona je v chemických reakciách ešte ďalšia štruktúra. Ak dva prvky vedia reagovať viac ako jedným spôsobom, tieto reakcie sú v špeciálnom vzťahu. Napríklad okrem vody vie 94,07 g kyslíka a 5,93 g vodíka vytvoriť 100 g peroxidu vodíka. Ak vydelíme tieto dve čísla, dostaneme dvakrát väčšie číslo ako v prípade vzniku vody. Pre iné prvky to nemusí byť dva, ale vždy takto dostaneme rozumný zlomok. K týmto zákonom francúzsky chemik Joseph Gay-Lussac (1778 – 1850) pridal pozorovanie, že aj objemy plynov v chemických reakciách majú striktnú štruktúru. Tieto zákony sa dajú vysvetliť existenciou atómov. Atómy rovnakého prvku sa správajú vždy rovnako, v chemických reakciách sa nemenia, len sa podľa istých pravidiel rôzne viažu do molekúl. Určenie relatívnych atómových hmotností je komplikovaná hádanka, v ktorej treba robiť predpoklady o atómovom obsahu jednotlivých zlúčenín a testovať konzistentnosť všetkých známych reakcií. Tak sa dajú určiť relatívne atómové hmotnosti prvkov a táto snaha viedla k Mendelejevovej periodickej tabuľke (1869). Atómová hypotéza bola silná vo vysvetlení známych procesov, ale nepriniesla žiadne nové predpovede a zostala na úrovni užitočného pracovného nástroja. Existencia atómov ako reálnych objektov nebola univerzálne prijatá.

Tento článok si môžete prečítať v časopise Quark 01/2019.

Ak chcete mať prístup aj k exkluzívnemu obsahu pre predplatiteľov alebo si objednať tlačenú verziu časopisu Quark, prihláste sa alebo zaregistrujte.

Mgr. Juraj Tekel, PhD.
Katedra teoretickej fyziky
Fakulty matematiky, fyziky a informatiky
Univerzity Komenského v Bratislave
Foto Pixabay, archív autora

Komentáre